lv/hv p-well bcd技术的芯片与制程剖面结构
lv/hv p-well bcd技术能够实现低压 5 v 与高压 100~700 v(或更高)兼容的 bcd 工艺。为了便于高低压 mos 器件兼容集成,采用源区为硼磷双扩散形成沟道的具有漂移区的偏置栅结构的 hv ldmos 器件。改变漂移区的长度,宽度,结深度以及掺杂浓度等可以得到不同的高电压。采用 mos 集成电路芯片结构设计﹑工艺与制造技术,依该技术得到了芯片制程结构。
1 制造技术的整合
lv/hv p-well bcd[b] 制造工艺能够实现低压 5v 与高压 100~700 v 范围(或更高)兼容的工艺技术,即以 lv p-well bicmos[b] 芯片与制程结构[1]为基础,引入源区作异型双扩散,在沟道和漏极之间具有场氧化层(f-ox),形成适合于 hv 要求的漏漂移区的器件工艺,以制得 hv ldmos 的兼容技术,实现同一硅衬底上形成 lv cmos﹑lv 双极型以及 hv ldmos 等器件,并使之互连,以实现 lv/hv 兼容 bcd 技术。改变漂移区的长度,宽度,结深度,掺杂浓度等可以得到不同的高压。实际上,把 hv ldmos 器件引入 lv bicmos[b] 集成电路中,使之整合于一体。因此,制造工艺复杂,兼容了双极,cmos,dmos 的工艺技术。
hv ldmos 与偏置栅 mos 结构相同点都是偏置栅,长的漂移区,而不同点 ldmos 源区作异型双扩散,具有短的沟道,驱动能力大。
lv/hv 兼容 bcd 工艺有许多种,可以分成两类:一类 lv/hv p-well bcd[c] 工艺技术[2];另一类以 lv bicmos[b] 工艺为基础,引入 hv ldmos 工艺,以制得 hv ldmos 的兼容技术,并以 lv/hv p-well bcd[b] 来表示。这种技术可分成两种不同结构:hv ldmos 和 hv vdmos。现先叙述前一种结构。在 lv/hv p-well bcd[b] 技术(1)芯片结构与制程中,采用 hv ldmos 结构。
为了描绘出双极型与 cmos/ldmos 器件兼容集成的 lv/hv p-well bcd[b] 技术(1)制程结构,本文应用芯片结构技术[2],可以得到芯片剖面结构。并利用计算机和它所提供的软件,可以得到芯片制程中各个工序剖面(或平面/剖面)结构。依照各个工序的先后次序互相连接起来,可以得到制程剖面(或平面/剖面)结构。该结构的示意图直观显示出 lv/hv p-well bcd[b] 技术(1)制程中芯片表面﹑内部器件以及互连的形成过程和结构的变化。
2 芯片剖面结构
应用芯片结构技术[2],使用计算机和它所提供的软件,可以得到 lv/hv p-well bcd[b]技术(1)芯片典型剖面结构。首先由设计人员在电路中找出各种典型元器件:lv nmos,lv pmos,lv npn(纵向), lv pnp(横向)以及 hv ldnmos。然后由制造人员对这些元器件进行剖面结构设计,选取剖面结构各层统一适当的尺寸和不同的标识,表示制程中各工艺完成后的层次,设计得到可以互相拼接得很好的各元器件结构(或在元器件结构库中选取),分别如图 1 [a]﹑[b]﹑[c]﹑[d]以及 [e] 所示(不要把它们看作连接在一起)。最后把各元器件结构依一定方式排列并拼接起来,构成芯片剖面结构,图 1a 为其示意图。以该结构为基础,消去 lv pnp,引入 poly 电阻和场区电容,改变 npn 结构,得到如图 1b 结构。如果引入不同于图 1 中的单个或多个元器件结构或对其中元器件结构进行改变,则可得到多种不同结构。选用其中与设计电路相联系的一种结构。下面仅对图 1a 结构作叙述。
3 工艺技术
电路采用 1.2 μm 设计规则,使用 lv/hv p-well bcd[b]工艺技术(1)。该电路主要元器件﹑制造技术以及主要参数如表 1 所示。它以 lv p-well bicmos[b] 制程及其所制得的元器件 [1] 为基础,引入兼容偏置栅 hv ldmos 器件工艺,最终在同一硅衬底上形成高低压器件,并使之互连,实现所设计电路。该电路或各层版图己变换为缩小的各层平面和剖面结构图形的 ic 芯片。如果所得到的工艺与电学参数都适合于所设计电路的要求, 则芯片功能和电气性能都能达到设计指标。
表 1 中参数中:高-低压栅氧化层厚度为 thv-gox/tlv-gox,dp- 区结深,薄层电阻为 xjdp-/rsdp-,ldnmos 有效沟道长度/漂移区长度为leffldn/ldldn,导通电阻为 ron,其它参数符号与通常表示相同。
为实现 lv/hv p-well bcd[b] 技术(1),引入 hv ldnmos 器件工艺,对 lv p-well bicmos[b] 工艺[1]作如下改变。
(1)n- 型外延层中 p-well 推进后,引入 11b+ 注入并推进,生成 dp- 区,源漏掺杂后形成 n+/dp- 区为双扩散源,n+ 区为漏,沟道和漏之间适合于 hv 要求的长的低浓度的 n- 型外延层为漂移区。
(2)场区氧化后,在沟道与漏之间引入场氧化层,形成适合于 hv 要求的厚度和长度。
(3)腐蚀预栅氧化层后,引入厚﹑薄栅氧化膜生长。
(4)poly 淀积并掺杂,引入刻蚀形成偏置栅结构。上述引入这些基本工艺,使 lv p-well bicmos[b] 芯片结构和制程都发生了明显的变化。工艺完成后,以制得 lv nmos 与 lv pmos [a,b],lv npn 和 lv pnp [c,d] 以及 hv ldnmos,并用 lv/hv p-well bcd [b] 技术(1)来表示。
p-well bcd [b] 技术(1)电路电气性能/合格率与制造各种参数密切相关,确定用于芯片制造的基本参数,如表 1 所示。
(1)工艺参数:如各种掺杂浓度及其分布,xjbln+/xjip+/xjdn/xjpw/xjdp-/xjn+/xjp+ 等结深,tf-ox/thv-gox/tlv-gox 等氧化层厚度以及 ldldn 等。
(2)电学参数:ulv/uhv 等 lv/hv 阈值电压,rsbln+/rsip+/rsdn/rspw/rsdp-/rsn+/rsp+ 等薄层电阻,bulvdsn/bulvdsp,bucbo/buceo 等击穿电压,β以及 ron 等。
(3)硅衬底电阻率/外延层厚度及其电阻率等的要求,制定出各工序具体工艺条件,以保证所要求的各种参数都达到规范值,而且确保批量生产中电路具有高成品率,高性能以及高可靠性。
制作掩模时,通常设计者要与制造者一起来确定。如果应用芯片结构及其制程剖面结构技术,则不难确定出各次光刻工序及其所用掩模的名称﹑图形黑白﹑正胶﹑划片槽有无以及对准层次。
由下面制程剖面结构图 2 中可以看出光刻工序各个层次,需要进行 17 次光刻。因此,光刻对准曝光要严格对准﹑套准,并使之在确定的误差以内。与 lv p-well bicmos[b] 相比,增加了 1块掩模:hv 栅氧化膜区,dp- 区是基区, 并兼作pnp 集电区轻掺杂区和双扩散源区。
4 工艺制程
图 1 所示的 lv/hv p-well bcd[b] 技术(1)芯片结构的制程是由工艺规范确定的各个基本工序﹑相互关联以及将其按一定顺序组合构成。为实现此技术,在 lv bicmos 制程中引入上面的(1)~(4)的基本工艺,不仅增加了制造工艺,使芯片结构发生了明显的变化,而且改变了制程,从而实现了 lv/hv p-well bcd[b] 技术(1)制程。
制程需要运行多次氧化﹑光刻﹑杂质扩散﹑离子注入﹑薄膜淀积以及溅射金属等主要工序。这些工序提供了以下工艺结构。
(1)形成电路芯片中的各个元器件:lv nmos,lv pmos,lv npn(纵向),lv pnp(横向)以及 hv ldnmos 等。
(2)这些电路元器件所需要的精确控制的硅中的杂质层:bln+,n-epi, ip+, dn, p-well,dp-,pf,nf, 沟道掺杂,sn-,n+poly,n+,p+ 等。
(3)形成集成电路所需要的介质层:f-ox, lv/hv g-ox,poly-ox,teos, bpsg/lto 等。
(4)这些电路元器件连接起来形成集成电路所需要的金属层:alsicu。这些按给定的顺序进行的制造步骤构成了制程。
应用计算机,依据芯片制造工艺中的各个工序的先后次序,把各个工序互相连接起来,可以得到 lv/hv p-well bcd[b] 技术(1)制程。该制程由各工序所组成,而工序则由各工步所组成来实现。根据设计电路的电气特性要求,选择工艺规范号和工艺序号,以便得到所需要的工艺和电学参数。
为了直观地显示出制程中芯片表面﹑内部元器件以及互连的形成过程和结构的变化,藉助图 1 芯片剖面结构和制造的各个工序,利用芯片结构技术,使用计算机和它所提供的软件,可以描绘出芯片制程中各个工序剖面结构,依照各个工序的先后次序互相连接起来,可以得到 lv/hv p-well bcd[b] 技术(1)制程剖面结构,图 2 为其示意图。
(1)衬底材料 p-si,初始氧化(init-ox)(1),光刻 bln+ 埋层, 腐蚀sio2, bln+ 区氧化(bln+-ox), 121sb+注入,如图 2-1 所示。
(2)注入退火,bln+ 区推进/氧化,腐蚀净 sio2,n- 型外延(n-epi),初始氧化(init-ox)(2),光刻隔离区(ip+),腐蚀sio2, 隔离区氧化(ip+ -ox),11b+ 注入,如图 2-2 所示。
(3)注入退火,隔离区(ip+)推进/氧化,光刻 dn 区,腐蚀 sio2, dn 区氧化(dn-ox),31p+ 注入,如图 2-3 示。
(4)注入退火,dn 区推进/氧化,光刻p-well 区,腐蚀 sio2, p-well 区氧化(pw- ox),11b+ 注入,如图 2-4。
(5)注入退火,p-well 推进/氧化,光刻 dp- 区,腐蚀 sio2, dp- 区氧化(dp- -ox),11b+ 注入,如图 2-5 所示。
(6)注入退火,dp- 区推进/氧化,腐蚀净sio2, 基底氧化(pad-ox),si3n4 淀积,光刻有源区,刻蚀 si3n4,如图 2-6示。
(7)光刻 p 场区(pf),11b+ 注入,如图 2-7 所示。
(8)光刻 n 场区(nf),31p+ 注入,如图2-8 所示。
(9)注入退火, 场区氧化(f-ox)如图 2-10 。
(10)三层(sion/si3n4/sio2)腐蚀,预栅氧化(pre-gox), 光刻 lv p 沟道区,11b+ 注入,如图 2-10 所示。
(11)腐蚀预栅氧化,注入退火,hv 栅氧化(hv-gox),光刻 hv 栅氧化层,腐蚀 sio2,lv 栅氧化(lv-gox),如图 2-11 所示。
(12) poly 淀积,pocl3 掺杂,光刻 poly,刻蚀 poly/sio2,如图 2-12 所示。
(13)源漏氧化(s/d-ox),光刻 nldd 区,31p+ 注入(poly 注入未标出),如图 2-13 所示。
(14)注入退火,形成 sn- 区,teos 淀积/致密,刻蚀形成 teos 侧墙,源漏氧化(s/d-ox),如图 2-14 所示。
(15)光刻 n+ 区,75as+ 注入(poly 注入未标出),如图 2-15 所示。
(16)光刻 p+ 区,49bf2+ 注入(poly 注入未标出),如图 2-16 所示。
(17) lto/bpsg 淀积,流动/注入退火,形成p+﹑n+sn- 区(图中未标出 sn-),光刻接触孔,腐蚀, 刻蚀 bpsg/lto/sio2,如图 2-17 所示。
(18)溅射金属(metal),光刻金属, 刻蚀alsicu, 如图 2-19 所示。
lv/hv p-well bcd[b]技术(1)制程的主要特点汇总如下。
(1)lv bicmos[b] 中的 lv npn 基区和 lv pnp 集电区中的轻掺杂区的与 hv ldnmos 双扩散源区中的 dp- 区都是同时形成,具有相同的结深和浓度。
(2)lv pnp 的发射区/集电区和 lv npn 基区接触的 p+ 掺杂, 同时在 n- 外延层中形成源区和漏区,以制得 lv pmos。
(3)lv npn 的发射区/集电区和 lv pnp 的基区接触的 n+ 掺杂。① 同时在 p-well 中形成源区和漏区, 以制得 lv nmos。② 同时在 n- 外延层中 形成双扩散源区和漏区,且在沟道和漏区之间具有场氧化层(f-ox),以制得 hv ldnmos,而双扩散源区中的 dp- 区是在 n- 外延层中作 11b+ 注入形成的。
(4)lv bicmos[b] 中的栅氧化改变为厚栅氧化膜生长,使用增加一次掩模,并先作腐蚀,得到高压厚栅氧化膜。然后,接着氧化,以形成低压栅氧化膜。
5 结语
制程中使用了 17 次掩模,各次光刻确定了 lv/hv p-well bcd[b] 技术(1)芯片各层平面结构与横向尺寸。工艺完成后确定了以下参数。
(1)芯片各层平面结构与横向尺寸。
(2)剖面结构与纵向尺寸。
(3)硅中的杂质浓度﹑分布及其结深。
(4)电路功能和电气性能等。
芯片结构及其尺寸和硅中杂质浓度及其结深是制程的关键。它们不仅与 hv 器件下列参数相关。
(1)hv ldnmos n+/dp- 结深度﹑掺杂浓度和 n-epi 漂移区的长度﹑结深度﹑掺杂浓度。
(2)hv dmos 沟道和漏极之间形成场氧化层(f-ox)厚度及其长度。
(3)hv 栅氧化层厚度。
(4)器件承受的高压﹑低的导通电阻以及阈值电压等有关。
而且与 lv 器件下列参数相关。
(1)cmos 工艺参数(p-well 深度及其薄层电阻,各介质层和栅氧化层厚度,有效沟道长度,源漏结深度及其薄层电阻等)及其电学参数(阈值电压,源漏击穿电压,以及跨导等)。
(2)双极型工艺参数(埋层/隔离/发射区的结深度及其薄层电阻,基区宽度及其薄层电阻,外延层电阻率及其厚度等)及其电学参数(ft﹑β﹑buceo﹑以及 bucbo 等)有关。这些参数如表1所示。cmos 与双极型的这些参数之间必须进行折衷并优化,以达到互相匹配。
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